Наши развилки. Развилки эволюции природы на пути к человечеству

Появление литосферы – твердой оболочки Земли, расположенной на относительно пластичной астеносфере, имело решающее значение для продвижения эволюции природы по антропному маршруту. Дело в том, что раскалывание первоначальной, «базальтовой» литосферы на отдельные плиты, находящиеся в постоянном движении, создало условия для образования океанов с океанической корой и появления континентальной коры. В итоге возникла жизнь в океанах. Затем живые организмы вышли на материки, где эволюционировали во множество замечательных существ, среди которых оказались и люди. Учитывая важность формирования литосферной оболочки, данный поворот в развитии планет выделяется в Литосферную развилку эволюции Земли, которая случилась около 4,45 млрд. л.н. Есть основания считать, что в эволюции Венеры и Марса были повороты, направившие их развитие на появление базальтовой литосферы, подобно земной Литосферной развилки. На этих планетах имели место даже некоторые проявления тектоники плит и были образованы океаны (Океанические развилки эволюции планет). Однако эти планеты в начале океанического пути развития, похоже, остановили прогрессивную эволюцию и вступили в эпоху разрушения. Земля продолжила развиваться своим особым путем, а для других планет природа избрала иные варианты эволюции.

2.3.2. Появление плитной тектоники – необходимое условие жизни

На рубеже около 4,38 млрд. л.н., когда практически вся планета покрылась базальтовым слоем, подлитосферная циркуляция вещества горячих недр и/или деятельность плюмов раскололи молодую «базальтовую» литосферу на множество плит, которые приступили к вечному дрейфу по астеносфере[29] как по смазке. Условно, с этого времени[30] (пояснения по ссылке можно смотреть в разделе "Ссылки.." в конце книги) началась глобальная тектоника литосферных плит, охватившая всю Землю. Движение плит стало возможным благодаря различию физических свойств литосферы и астеносферы, которые определяются не особенностями их химического состава, но фазовым переходом, обусловленным давлением и температурой. Вещество литосферы находится в кристаллическом состоянии, а породы астеносферы являются частично расплавленными. Наличие раскаленных недр под холодной литосферой является потенциалом мощных тектонических движений литосферы, связанным со стремлением теплых, а потому более легких горных пород всплыть над холодными, более тяжелыми образованиями земной коры. Очень вязкая магма переносит тепло из самых глубинных недр Земли к подошве коры, вызывая движение плит. На выполнение механической работы тратится определенная доля тепла, другая часть уходит в околоземное космическое пространство. Многие геологические и другие процессы реализуются благодаря тому, что наша планета является, по-существу, тепловым двигателем.

Огромные массы раскаленной магмы и лавы внедряются между литосферными плитами, в зонах спрединга (раздвигания), расталкивая их. Эти базальтовые извержения, остывая на поверхности планеты, формировали новообразованный базальтовый слой. Таким образом, благодаря действию ранней плитной тектоники происходила постепенная замена первичного (доплитного) базальтового слоя на новообразованный слой базальта. Следует отметить, что этот процесс обновления земной коры начался еще приблизительно за 110 млн. лет до появления на Земле океанов. Регионы с обновленной базальтовой корой между смежными плитами, образовавшиеся до появления жидкой воды на Земле, условно можно считать «сухими океанами». Если кору, служащую ложем нынешних океанов, называют океанической корой (см. раздел "Океаническая развилка"), то древнейшую кору сухих океанов так и назовем «кора сухого океана». Земные древние сухие океаны, вероятно, имеют много сходного с районами новообразованной застывшей лавы – базальтовых излияний на Луне, именуемых лунными морями. Там даже имеется океан Бурь общей площадью около 4 млн. км2. Конечно, никаких водных бассейнов на Луне нет и не было. Лунные пониженные участки распространения относительно молодых базальтов назвали морями из-за их более темного цвета по сравнению с прилагающими светлыми участками «суши». Развитие Луны в отличие от Земли не прошло через Океаническую развилку.

В то же время, перемещение литосферных плит приводит к тому, что крупные холодные блоки литосферы погружаются в раскаленные недра Земли в участках их столкновения. Такие участки названы зонами субдукции, где одни блоки проталкиваются под смежные плиты, расплавляясь в недрах и перерабатываясь в процессе соединения с веществом мантии. Затем массы расплавленных пород поднимаются к поверхности, чтобы окислившись образовать новые породы. Наряду с твердыми породами в миграции участвуют жидкости (вода, водные растворы) и газы. Более того, Земля в целом, от ядра до атмосферы представляет собой сложный комплекс взаимодействующих атомов, соединенных в молекулы, минералы, горные породы, находящиеся в постоянном круговороте с той или иной скоростью. Состояния глобальных характеристик Земли порой зависят от самых незначительных изменений отдельных характеристик вещества во внутренних оболочках, а также от ряда космических воздействий.

В этом отношении следует вспомнить о роли тектоники плит в регулировании температурного режима поверхности Земли, обеспечивающего благоприятный для жизни диапазон температур между 0°C и 100°С. История планеты показывает, что сохранять такие температурные условия весьма сложно. Тем более что планета на протяжении более 4 миллиардов лет подвергается всё возрастающему воздействию солнечного излучения. Это излучение в начале истории Земли было на 30 % меньше, чем в настоящее время. Если бы не механизм действия тектоники плит, то планета разогрелась бы до температуры, при которой вся вода испарится и удалится в космическое пространство. Регулирование температуры происходит в результате взаимодействия тектонических процессов образования гор, т. е. благодаря орогенезу и процессов их разрушения, эрозии. Ветер, вода, химические процессы разрушают горных пород и перемещают продукты эрозии в океан. Одни горы разрушаются, другие образуются. Круговорот вещества продолжается постоянно.

В круговорот включается углекислый газ атмосферы, когда он растворяется в дождевой воде и в форме углекислоты растворяет горные породы. В океанах часть углерода выпадает в осадок в виде карбонатных пород: известняка-CaCO3 и доломита-MgCO3. Кроме этого, углерод удаляется из атмосферы растениями, которые используют его для производства углеводов. Растения после смерти постепенно накапливаются в мощных осадочных пластах и под воздействием температуры и давления превращаются в торф и угли. В морских отложениях захоронились органические остатки водных животных. Из этого органического вещества спустя миллионы лет образовались газ, нефть или горючие сланцы. Обширные осадочные бассейны с углеродосодержащими породами являются своеобразными долговременными хранилищами колоссальных ресурсов углерода. Кроме того, в зонах субдукции, где океанические литосферные плиты погружаются в мантию, углеродосодержащие породы могут высвобождать углерод для формирования новых минералов. Таким образом, разнообразные химические и геологические процессы как конвейерная лента перемещают углерод из атмосферы в земную кору либо в мантию. В результате содержание углекислого газа в атмосфере уменьшается, что снижает парниковый эффект[31] и вызывает похолодание климата.

В коре и мантии Земли углерод залегает в значительно большем количестве, чем в сумме на поверхности и в атмосфере. Если бы геологический конвейер работал только на захоронение углерода, тогда бы уже в тот или иной момент содержание двуокиси углерода (CO2) в атмосфере сократилось бы до критически минимального значения, и планета замерзла бы. Эволюционный маршрут природы к человечеству на этом бы прервался окончательно. Но геологический конвейер продолжает продвигать вещество, включая углерод от зон субдукции к месту выхода из земных недр в атмосферу. Такими местами являются зоны дивергенции (спрединга), где раздвигаются литосферные плиты под воздействием огромных масс раскаленной, всплывающей и циркулирующей магмы. Горячие массы пород, насыщенные водяным паром, углекислым и другими газами извергаются на поверхность континентов или на дно океанов через глубокие трещины в земной коре или через жерла вулканов. Когда появятся люди, они начнут сжигать торф, уголь, сланец, нефть, газ, тем самым освобождая углерод из подземного заточения и направляя его в круговорот. Человек будет выступать всего лишь как один из геологических факторов. В атмосферу возвращается углекислый газ, повышая её парниковый эффект, повышается температура поверхности планеты. Увеличивается объем дождей и ускоряется эрозия горных пород и их снос в океаны, а также погружение этих пород в недра. То есть ускоряется вывод углекислоты из атмосферы. Так саморегуляция планеты стремится уменьшить повышение температуры, которое происходит в результате постепенного возрастания объема солнечного излучения.

Кроме того, постоянное перемешивание земного вещества является своеобразным конвейером по производству все более сложных химических соединений, по их сепарации и концентрации в месторождениях земной коры. Хотя объем концентрированных химических элементов – относительно небольшой по сравнению с основной массой химических элементов, находящихся в рассеянном состоянии, эти скопления имеют огромное значение для развития человеческой цивилизации. Природа как бы позаботилась о людях, создав скопления (месторождения) таких полезных ископаемых, как: горючие (нефть, природный газ, горючие сланцы, торф, уголь), нерудные (строительные материалы; сырье для производства минеральных удобрений, красок, для общехимического производства, для металлургии; технические кристаллы; драгоценные и поделочные камни; абразивные материалы), рудные (черные и цветные металлы и др.). Уместно здесь напомнить, что человечество получило в свое распоряжение также водные, лесные и биологические ресурсы. Неисчерпаемые объемы световой и тепловой солнечной энергии, влаги и движения воздуха являются теми климатическими ресурсами, которые Земля использует в своей эволюции и которые в своё время предоставит живым организмам.

Возвращаясь к характеристике тектоники плит, заметим, что о первичных размерах и контурах древнейших литосферных плит отсутствуют достоверные сведения, поскольку со временем их конфигурация менялась. Плиты могут раскалываться в результате рифтинга (образования вытянутых щелевидных прогибов, ограниченных глубинными разломами) и спаиваться, создавая единую плиту в результате коллизии (столкновения плит, смятия коры и образование горных цепей). Границами древнейших плит, возможно, были первые глубинные разломы в твердой мантии, по которым поднималась магма для базальтовой коры. К настоящему времени литосфера представлена 8 крупнейшими плитами: Тихоокеанская-103 300 000 км², Северо-Американская-75 900 000 км², Евразийская-67 800 000 км², Африканская-61 300 000 км², Антарктическая-60 900 000 км², Австралийская-47 000 000 км², Южно-Американская-43 600 000 км² и Сомалийская-16 700 000 км² (Рис. 2.3.1). Кроме того выделяются 5 крупных плит: Наска-15 600 000 км², Индостанская-11 900 000 км², Филиппинская-5 500 000 км², Аравийский субконтинент-5 000 000 км² и плита Кокос – 2 900 000 км². Имеются также множество средних и мелких плит. Тринадцать вышеперечисленных плит покрывают около 90 % земной поверхности. Средние и мелкие плиты расположены между крупнейшими и крупными блоками. Блоки литосферы перемещаются по астеносферному слою с разной скоростью: от 1 до 6 см/год в процессе надвигания одной плиты на другую и до 10–18 см/год при расхождении плит. Все плиты в той или иной степени являются комбинированными, т. е. слагаются океанической и континентальной типами коры. В то же время, Тихоокеанская плита – в основном океаническая, а Евразийская – преимущественно континентальная. Основная сейсмическая, тектоническая и магматическая активность нашей планеты, проявляемая на поверхности вулканизмом, землетрясениями, горообразованием, приурочена к границам плит. В разделах об Океанической и Континентальной развилках приводится краткая характеристика разных типов земной коры.

Границы плит стали зонами раздвига, надвига, поддвига или горизонтального смещения одних плит относительно смежных. Сформировались три типа границ между плитами: 1- рифт срединного хребта (зона спрединга), 2- зона столкновения (зона субдукции) и 3- зона сдвига (трансформный разлом)[32]. Вдоль этих границ проявились и происходят до сего времени максимальные тектонические, вулканические и сейсмические явления. В рифтовых зонах срединных хребтов плиты раздвигаются, и пустоты возникающих трещин заполняются расплавленной базальтовой магмой, всплывающей из астеносферы. Конвекционные течения вещества в астеносфере растаскивают плиты в стороны от осей срединных хребтов.

В зонах раздвижения плит, т. е. на участках распространения коры сухого океана, а также на прилегающих участках распространения первичного базальтового слоя приблизительно через 110 млн. лет после начала активной плитной тектоники возникнут океаны (см. "Океаническая развилка, 4,27 млрд. л.н."). В зонах субдукции (сближения) плит одна из них погружается под другую, а если они сталкиваются, тогда обе сминаются, образуя горную цепь. После возникновения океанов в участках распространения гор будет формироваться материковая (континентальная) кора (см. Континентальная развилка, 4,2 млрд. л.н.). По трансформным разломам происходит сдвигание (скольжение) плиты относительно смежной. Кроме того, даже внутри плит происходят такие явления, как: долговременные базальтовые магматические извержения в некоторых районах, называемых горячими точками, а также грандиозные излияния расплавов, формирующих траппы на континентах и океанические плато в океанах. Перечисленные проявления динамики твердой корово-мантийной оболочки являются разными характеристиками глобальной тектоники литосферных плит, о которой уже было упомянуто выше. Конечно, в течение первых 200–400 млн. лет после начала тектоники плит (около 4,38 млрд. л.н.), кора была тоньше и вязкость мантийных конвекционных потоков непосредственно под корой была намного ниже той, которые сформировались в последующем. Поэтому в этот начальный период динамика литосферы характеризовалась относительно низкой активностью. Тем не менее, тектоническая активность оказалась достаточной, чтобы обеспечить некоторую дифференциацию рельефа планеты, необходимую для образования океанов разной глубины, морей, озер и речных потоков, а также, чтобы создать необходимые условия для появления зон генерации континентальной коры.

2.3.3. Гидрожен – в горячей атмосфере, Оксижен – в литосферном блоке. Карбомал, Карбожен с Нитроженом и Флюор с Ферумом мчатся вокруг Солнца

После Литосферной развилки, Гидрожен, прибывший на Землю практически одновременно с образованием Луны, продолжал парить над Землей в составе Гидроженной водяной молекулы, поскольку температура поверхности планеты еще оставалась очень горячей (500°C – 300°C). Вся постоянно выделявшаяся из недр вода всё ещё находилась в парообразном состоянии. Огромные объемы пара превратятся в жидкую воду после снижения температуры ниже точки кипения воды. При существовавшем тогда атмосферном давлении в пределах около 3–4 атм. этот фазовый переход произошел, приблизительно при температуре поверхности планеты около 250–200°C около 4,27 млрд. л.н.

Перидотитовый твердый слой мантии, который стал пристанищем Оксижена, после Литосферной развилки перекрылся базальтовым слоем коры. Разбитие базальтовой литосферы на плиты определило нахождение кристалла Оксиженного форстерита в одном из океанических блоков. С этим литосферным блоком наш кислородный гид отправился в дрейф по астеносфере.

Карбомал, Карбожен с Нитроженом, как и Флюор с Ферумом в своих персональных астероидах (Карбомалном, Нитроженном и Ферумном) продолжают кружить вокруг Солнца на орбитах между Марсом и Юпитером. В их судьбе мало что изменится на протяжении еще около 300 млн. лет, до Пребиотической развилки, когда они прибудут на Землю.

2.4. Океаническая развилка эволюции Земли. Около 4,27 миллиарда лет назад

На протяжении около 200 млн. лет после Литосферной развилки тепловая история планеты оставалась в границах этапа «Раскалённая Земля». Планету продолжала укутывать третья – Мезокатархейская водно-азотно-углекислая атмосфера. В этой атмосфере происходило накопление колоссальной массы паров слабых водных растворов угольной и некоторых других кислот. К рубежу ~4,27 миллиарда л.н. снижающаяся температура достигла стабильных значений существования жидкой воды, и весь водяной пар в атмосфере конденсировался, обрушившись продолжительными проливными дождями угольной кислоты на твердый черный базальтовый слой планеты. Поверхность Земли хотя и охладела в значительной степени, но все еще оставалась довольно горячей (~200°C). Рельеф планеты в ранней половине катархейской эры (4,54-4,2 млрд. л.н.) был довольно пологим. Унылые базальтовые равнины с относительно неглубокими понижениями осложнялись не высокими вулканическими постройками в форме конусов или возвышенностей иных конфигураций. Кроме того, между литосферными блоками и в некоторых других местах тектонических напряжений формировались протяженные разломы, которые выделялись на земной поверхности в форме провалов и/или уступов. Отрицательными формами рельефа – потенциальными естественными вместилищами для озер и морей были тектонические прогибы и пологие впадины на участках нового образования базальтового слоя, т. е. на коре «сухого океана», да кратеры разного диаметра и глубины от разнокалиберных метеоритов и астероидов.

Кислая вода многовековых дождей мощными потоками стекала по сухой и очень горячей земной поверхности в низкие участки базальтового рельефа Земли. Формировалась система стока, речная сеть и возникали первые водоемы. Вода на своем пути растворяла щелочные породы своих русел. С суши переносились в первичные водоемы обломки разрушенных горных пород и извлеченные их них химические элементы: прежде всего натрий, а также магний, стронций, калий, кальций, литий и др. Содержание этих катионов[33] в морской воде соответствует распространенности их в породах земной коры. Однако, содержание основных анионов, особенно хлора и брома, в водоемах значительно превышает возможности горных пород. Ученые считают, что все катионы попали в морскую воду в результате их извлечения из горных пород, а анионы (хлор, бром и др.) прибыли в воду непосредственно из мантии при её дегазации.

Первичная морская вода была слабокислотной (pH[34] от 5 до 6,5) и малосолёной, похожей по составу на пресную воду. Такой состав воды в морях обусловлен быстрым стоком, не позволявшим значительно обогатиться минеральными веществами. Кислый раствор, находясь в первичных водоемах, растворял омываемые изверженные породы. На первом этапе размывались породы твердого базальтового слоя. На протяжении последующих сотен миллионов лет водные бассейны постепенно насыщались элементами, переходившими из новообразованных океанической и континентальной земных кор: натрием, магнием, стронцием, калием. Кроме того, за счет дегазации мантии в воду поступали хлор, бром и другие анионы. Интересно проследить обогащение океанов катионами кальция (Са2+) и магния (Mg2+), наряду с комплексным анионом карбоната (СO32-), в состав которого входит катион углерода (С4+) и три аниона кислорода (O2-). Когда концентрация этих элементов в морской воде достигла точек растворения кальцита (СаСО3) и доломита (CaMg[CO3]2), на дно бассейнов начали осаждаться данные карбонаты. Выпадение из воды соединений углекислоты привело к последующему извлечению морской водой из атмосферы новых порций углекислого газа. Океан выводил «излишки» углерода из атмосферы в осадок морей и океанов. Огромные массы соединений углерода в форме мощных толщ карбонатных пород на сотни миллионов лет захоронялись в недрах планеты. Океан стал естественным регулятором, как состава атмосферы, так и ее температуры. Гидросфера включилась в кругооборот вещества и энергии между всеми оболочками Земли.

По мере увеличения продолжительности взаимодействия воды с омываемыми горными породами повышалось в ней содержание минералов (в среднем до нынешней минерализации 35 г/л). Воды постепенно превратились в слабощелочные (pH от 7, 5 до 8,5), жесткие растворы минеральных солей хлоридно-магниевого типа. В океанических и морских водах растворены в разных количествах почти все элементы таблицы Менделеева. Солевой состав вод океанов очень близок к характеристике крови животных и человека, что можно объяснять зарождением и начальной эволюцией живых организмов в океанических водах.

Вода первых дождей наполняла сначала отдельные, изолированные наиболее погруженные участки, формируя ранние озера и моря. По мере поступления новых объемов жидкости и повышения уровня морей, происходило постепенное соединение локальных водоемов в более обширные моря и, наконец, практически вся планета покрылась мелким океаном. Вода в первичных водоемах не кипела только потому, что находилась под давлением тяжелой атмосферы (по разным оценкам в 2–3 раза плотнее нынешней), состоящей в значительной степени из плотного углекислого газа. Изобилие в воде минералов железа придавало океану зеленый цвет. Суша отсутствовала, кроме выступающих кое-где из воды вершин действующих вулканов. Появляющиеся из воды вулканические острова раннего периода Земли достаточно быстро разрушались мощными волнами, поскольку состояли из пористого, мягкого, пемзообразного базальта. Луна в это время располагалась еще весьма близко от Земли, и её приливное влияние вызывало огромные волны, высотой в сотни метров, прокатывающиеся с определенной периодичностью через океан.

Забегая немного вперед, отметим, что накопление поверхностных водных бассейнов и затем образование глобального океана способствовало изменению состава третьей атмосферы и формированию четвертой воздушной оболочки. В новой – Эоархейской углекисло-азотной атмосфере в течение от 4.1 до 3.5 млрд. л.н. содержание углекислого газа сократилось до 1,3 %. Одновременно резко возросла доля азота (от 50 до 98 %), что благоприятствовало продвижению эволюции нашей планеты по антропному маршруту.

Когда атмосфера отдала в гидросферу практически весь объем воды, дегазированный до этого земными недрами, тогда количество воды в океане составляло, по разным оценкам, около 70 % нынешнего объема Мирового океана. С тех пор океаны, моря, озера и реки уже никогда не покидали земной лик. Конечно, гидросфера постоянно наращивает свой объем за счет падения на Землю водосодержащих астероидов и комет, а также в результате деятельности вулканов. Каждые тысячу лет уровень Мирового океана поднимается на 1 мм за счет поступления воды из дегазируемых недр. Древние океаны на протяжении около 1,7 млрд. лет после формирования (от 4,27 до 2,5 млрд. л.н.) были не глубокими – 150–700 м. К среднему протерозою (около 1,2 млрд. л.н.) их глубины возросли до 2900 м. Почти нынешний объём воды в Мировом океане достигнут в вендском периоде (около 570 млн. л.н.). Кроме того, водная оболочка планеты постоянно меняла свой облик за счет дрейфа континентов – исчезали и возникали целые океаны, не говоря о морях и реках, но даже в периоды самых лютых оледенений оставались где-то на планете значительные объемы жидкой воды. В настоящее время поверхность Земли покрыта пятью океанами: Тихим, Атлантическим, Северным Ледовитым, Индийским и Южным (Антарктическим или Австралийским). Южный океан возник на месте раскола некогда единого материка на два других: Южную Америку и Антарктиду.

2.4.1. Земные океаны – уникальное явление в Солнечной системе

Начало формирования первых водных бассейнов на Земле около 4, 27 млрд. л.н. стало Океанической развилкой эволюции природы, которая ориентировала развитие планеты по уникальному, земному пути. В Солнечной системе в настоящее время, кроме Земли нет ни одной планеты или спутника с поверхностными бассейнами жидкой воды. Даже на планетах земного типа небольшое количество воды теперь находится либо в газообразном состоянии (на Венере) или в замороженном виде в полярных шапках и вечной мерзлоте (на Марсе), либо в форме водяного льда в глубоких кратерах, куда не проникают солнечные лучи (на Меркурии). Вода в предполагаемых водных бассейнах на некоторых спутниках газовых гигантов (на Европе, Ганимеде и Каллисто вокруг Юпитера и на Энцеладе у Сатурна) может находиться под толстым слоем льда, покрывающем небесное тело. Эволюция водных оболочек планет только на Земле пошла по пути формирования гидросферы. На Марсе образовалась криосфера, на спутниках Юпитера и Сатурна – ледяная кора. Даже если существуют на спутниках водные бассейны, перекрытые ледяным панцирем, то они имеют мало общего с земным Мировым океаном и его эволюцией. Сведения по выявленным к настоящему времени более чем шести тысячам экзопланет указывают на то, что их эволюция, скорее всего, пошла иными направлениями, нежели земной океанический путь. Океаническая развилка направила развитие нашей планеты по настолько уникальному эволюционному вектору, который, скорее всего, редко повторяется в Галактике. Океаническая развилка ориентировала эволюцию Земли не только на появление водной оболочки, но также на её долговременное существование (более 4 млрд. лет), постоянное преобразование и взаимодействие с другими земными оболочками. Кроме того, с Океанической развилкой оказалась связана важная особенность Земли – океаническая кора. Эти направления эволюции планеты, порожденные Океанической развилкой, привели к реализации в природе двух таких обязательных условий для появления живых форм материи, как постоянное длительное существование значительных объемов жидкой воды и такую же продолжительную циркуляцию вещества между верхними и нижними оболочками планеты. Непрекращающаяся вертикальная циркуляция химических веществ в процессе постоянного образования новой океанической коры обеспечивает вынос в океан из глубинных недр энергии и веществ, необходимых для зарождения живых организмов и поддержания их эволюции при самых экстремальных вариациях климатических условий.